Isı Nedir & Isı Enerjisi Nedir,
Isı, sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme aktarılan enerjidir. Daha bilimsel tanımıyla, bir cisimden öbürüne enerji aktarma sürecidir. Çünkü yakın zamana kadar ısıyı da elektrik enerjisi ya da mekanik enerji gibi bir enerji biçimi olarak kabul eden bilim adamlarının bu konudaki görüşleri büyük ölçüde değişmiştir. Şimdi ısıyı, molekülleri çok hızlı hareket eden sıcak bir cisimdeki bu mekanik molekül enerjisinin daha soğuk bir cisme aktarıldığı bir sürek olarak tanımlıyorlar. Ama ısının bir enerji biçimi olduğundan yola çıkarak varılmış olan bütün kavram ve tanımlar hala geçerlidir.
Bu bilimsel terim günlük konuşma diline de yerleşmiştir ve çoğu kez yanlış olarak sıcaklık anlamında kullanılır. Bir cisme aktarılan ısı enerjisi o cismin sıcaklığı yükseltebilir; ama ısı ile sıcaklık aynı şey değildir. Sıcaklık bir cisimde ne kadar ısı bulunduğunu, daha doğrusu cismin ne kadar ısı enerjisi aktarabileceğini gösteren bir ölçüdür ve bu ısının miktarı yalnızca cismin sıcaklığına değil kütlesine de bağlıdır. Bütün enerji biçimleri gibi ısı da Uluslararası Birimler Sistemi’nde (SI) joule (jul), güçlük uygulamalarda ise kalori gibi iş birimleriyle ölçülür. Enerji bir biçimden başka bir biçime dönüşürken sonunda genellikle ısı enerjisi açığa çıkar. Örneğin, bir iletkenden elektrik akımı geçirildiğinde elektrik enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşür.
Isı Kavramının Tarihçesi
Bilim adamlaı ısıyı uzun süre yalnızca bir kavram olarak kullandılar. 18. yüzyılda bile hala ısının “akışkan bir madde” olduğunu düşünüyor ve bir cisimde bu akışkandan ne kadar çok bulunursa cismin o kadar sıcak olacağına inanıyorlardı. Kont Rumford adıyla tanınan İngiliz subay ve fizikçi Sir Benjamin Thompson Almanya’daki Bavyera prensinin hizmetinde çalışırken, 1798’e doğru çok önemli bir sonuca vardı. Münih’te Bavyera ordusu için yapılan pirinç topların matkapla delinmesi sırasında büyük miktarda “ısı” açığa çıktığını fark etmişti. Eğer ısı sanıldığı gibi cismin içindeki bir akışkan olsaydı bir an gelip tükenmesi gerekirdi; oysa matkap ucu sürtündükçe bu metal alaşım soğuyacağına giderek ısınıyordu. Rumford bu olayı araştırmak üzere delme işlemini su dolu bir kabın içinde yaptı ve matka bir süre çalıştıktan sonra suyun kaynadığını gördü. Bu “ısı” yı yaratacak bir ateş ya da alev olmadığına göre, matkap ucunun pirince sürtünmesiyle sürekli olarak ısı üretebildiğini, dolayısıyla ısının bir madde olamayacağını öne sürdü. Bir metali matkapla delerken bu sürtünmenin etkisiyle matkap ucunun ısındığını, hatta daha basit yoldan ellerinizi birbirine sürttüğünüzde ellerinizin ısındığını hissedebilirsiniz.
Isı ile elektrik ve ısı ile iş arasındaki ilişkiyi İngiliz fizikçi James Prescott Joule açıklamıştır.
Rumford’un ısı konusundaki bu görüşlerine o zamanlar kimse inanmadı ve yapılan iş miktarı ile oluşan “ısı” miktarı arasında sıkı bir bağlantı olduğunu kanıtlama onuru İngiliz fizikçi James Prescott Joule’e kaldı. Joule, Manchester yakınlarındaki labaratuvarında 1843’te yaptığı deneylerde, belirli miktardaki suyu ısıtmak için gereken iş miktarını ölçtü. Suyu ısıtmak için başvurduğu iki yöntemden biri, bir dinamoyla ürettiği elektrik akımını suya daldırdığı bir tel bobinden geçirmekti. Böylece günümüzde kullanılanlara benzeyen bu tip su ısıtıcılarının ilk örneğini yapmış oldu. Sonra sudaki sıcaklık artışını termometreyle ölçerek bulduğu ısı miktarını dinamoyu döndürmek için kullanılan iş miktarıyla karşılaştırdı. Uyguladığı ikinci yöntemde ise, suyu dönen bir su çarkıyla karştırarak ısıttı ve gene yapılan mekanik iş miktarı ile bu işin suya kazandırdığı ısı miktarını karşılaştırdı. Sonuçta, belirli miktardaki işin her zaman aynı miktarda ısı oluşturduğunu buldu ve aralarındaki oranı belirledi. Bu oran ya da bağıntı “ısının mekanik eşdeğeri” olarak bilinir. Böylece, Joule”ün çalışmalarıyla ısının bir enerji biçimi olduğu bütün bilim adamlarınca kabul edildi. Isı enerjisi bir iş yapmak için kullanılabilir ya da öbür enerji biçimleri yapılan iş aracılığıyla ısı enerjisine dönüştürülebilir; her iki durumda da sonuçtaki toplam enerji miktarı başlangıçtakiyle aynıdır. Bu durum, ENERJİ maddesinde açıklandığı gibi bilimin temel kavramlardan biri olan “enerjinin korunumu” ilkesine uygundur. Enerji ya da iş ölçü birimine “joule” adı James Joule’ün onuruna verilmiştir.
Isı Enerjisi Konusundaki Çağdaş Görüş
Önce sıcak, sonra soğuk bir cisme dokunursak aralarındaki sıcaklık farkını algılayabilir ve cisimlerin sıcaklığını termometreyle ölçebiliriz.
Bütün maddeler molekül denen çok küçük atom gruplarından oluşturmuştur. Bu moleküller her an hızlı ve gelişi güzel bir çalkalanma hareketi yapar. Gazların molekülleri, katı ve sıvılarla karşılaştırıldığında, birbirinden oldukça uzaktır ve bulundukları hacim içinde serbestçe hareket edebilir. Bu arada hem birbirleriyle çarpışır, hem de bulundukları kabın çeperlerine çarparlar. Gazın sıcaklığı arttıkça moleküllerin hareketi de hızlanır.
Sıvılarda moleküller daha sıkışık durumda oldukları için gazlardaki kadar serbest hareket edemez ve birbirleriyle daha sık çarpışırlar. İçinde çok küçük toz parçacıkları bulunan bir bardak suya parlak bir ışık tutulduğunda, sıvı moleküllerinin hareketi incelenebilir. Bu suya bir mikroskopla bakılırsa toz parçacıklarının her yöne doğru hızla hareket ettiği görülür. Bu hareketin nedeni, görülemeyecek kadar küçük olan milyonlarca su molekülünün hızla hareket ederken toz parçacıklarına çarpmasıdır. Aralarında hemen hiç boşluk olmayan katı moleküller yerlerini değiştiremez, ancak bulundukları yerde sürekli bir titreşim hareketi yapabilir.
Katı, sıvı ya da gaz durumundaki herhangi bir maddenin sıcaklığı ne kadar yüksekse moleküllerinin ortalama hızı, dolayısıyla toplam enerjisi de o kadar fazladır. Bir maddede ki moleküllerin toplam enerjisine o maddenin iç enerjisi denir. Bir maddeye dışarıdan enerji verilmesi maddenin iç enerjisini artıracağı için sıcaklığını da artırır.
Bir maddeye enerji vermenin yollarından biri o madde üzerinde bir iş yapmaktır. Örneğin, Joule’ün deneyinde olduğu gibi suyun karıştırılması su moleküllerinin daha hızlı hareket etmesine yol açar ve böylece suyun sıcaklığı yükselir. Bir maddeye enerji vermenin başka bir yolu da ona ısı enerjisi aktarmaktır. Kızgın bir demir çubuk suya daldırıldığında, demir moleküllerindeki ısı enerjisi su moleküllerine geçer. Böylece su molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar ve suyun sıcaklığı yükselir: Sıcaklığın ne kadar yükseleceği suyun miktarına bağlıdır.
Eğer bir maddede moleküllerin titreşimi durursa maddenin iç enerjisi sıfırlanır ve sıcaklığı olabilecek en düşük düzeye iner. Mutlak sıfır denen bu sıcaklık -273 derece dolayındadır; yani suyun donma noktasının 273 derece altındadır. Gerçi bugüne kadar mutlak sıfır noktasına ulaşılamamıştır, ama bilim adamları bu sıcaklığın milyonda bir ya da iki derece üzerindeki sıcaklıkları elde edebiliyorlar. Bu çok düşük sıcaklıklarda maddenin özelliklerinde ve davranışında çok ilginç değişiklikler olur. Örneğin bazı iletkenlerden bir kez elektrik akımı geçmeye başladığında bu akış neredeyse sonsuza kadar sürer; çünkü iletkenin direnci tümüyle yok olmuştur. Gene bu düşük sıcaklıklarda moleküller hemen hemen tümüyle hareketsiz oldukları için birbirleriyle çarpışamaz, dolayısıyla maddeler arasında hiçbir kimyasal tepkime olmaz.
Buna karşılık sıcaklığın en çok kaç dereceye yükselebileceği konusunda bilinen herhangi bir sınır yoktur. Metalleri kesmek ya da kaynak yapmak için kullanılan oksiasetilen hamlacının alevi ile gene kaynak işlerinde kullanılan elektrik arkının sıcaklığı 1.800 derece ile 4.000 derece arasında değişir. Nükleer tepkimelerde ise milyonlarca derecelik sıcaklıklara ulaşılabilmiştir.
Kimyasal tepkimelerde de ısı olulabilir. Bir kibritin yanmasıyla ısı enerjisi açığa çıktığı için bu, ısıveren ya da eksotermik bir tepkimedir. Gerçekleşebilmesi için ısı enerjisi gerektiren kimyasal tepkimeler ise, örneğin içindeki demir metalini ayırmak üzere bir demir cevherinin ısıtılarak eritilmesi, ısıalan ya da endotermik bir tepkimedir.
Sıcak bir cismin ısısı çevresindeki daha soğuk cisimlere, örneğin habaya geçer, Evlerdeki ısı kayıpları denetim altına alınmazsa ısınma giderleri çok artabilir.